摘要：以智慧能源與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合為特征的能源互聯(lián)網(wǎng)已成為國家“十三五”能源領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。多能源系統(tǒng)是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的物理基礎(chǔ)。文中首先介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)與多能源系統(tǒng)的基本概念，在此基礎(chǔ)上從能源互聯(lián)網(wǎng)價值實現(xiàn)的角度闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃優(yōu)化及商業(yè)模式構(gòu)建的思路。最后，以山西太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)為實例，對太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)背景、潛在價值、關(guān)鍵問題和難點幾個方面進行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞 : 能源互聯(lián)網(wǎng);多能源系統(tǒng);協(xié)同規(guī)劃;商業(yè)模式;綜合需求響應

基金項目：國家自然科學基金重點國際(地區(qū))合作與交流項目(51620105007);山西電網(wǎng)公司科技項目“太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)(運營模式)研究與示范應用”。

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)已成為人類發(fā)展獲取信息的主要基礎(chǔ)設(shè)施，基于互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新層出不窮，李克強總理在2015年工作總體部署中提出“互聯(lián)網(wǎng)+”，并期待基于互聯(lián)網(wǎng)我國能創(chuàng)造出更多的新技術(shù)、新模式[1]。作為支撐人類文明發(fā)展的另一種基礎(chǔ)元素—能源，其發(fā)展相對于互聯(lián)網(wǎng)而言，在靈活性、開放性、可擴展性等方面都制約了相關(guān)創(chuàng)新活動的開展，轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、創(chuàng)新能源消費等都是能源領(lǐng)域改革面臨的巨大挑戰(zhàn)。以可再生能源與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合為手段的能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)成為國家“十三五”能源領(lǐng)域戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)智能電網(wǎng)方向的重大工程[2]。

能源互聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)思維與理念構(gòu)建的新型信息—能源融合“廣域網(wǎng)”，它以大電網(wǎng)為“主干網(wǎng)”，以微網(wǎng)、分布式能源等能量自治單元為“局域網(wǎng)”，以開放的信息—能源一體化架構(gòu)最大限度地適應分布式可再生能源的接入，真正實現(xiàn)自底向上的能量對等分享[3]。在關(guān)鍵技術(shù)突破方面，能源互聯(lián)網(wǎng)對現(xiàn)有能源技術(shù)提出了更高要求，并提供了能量路由器、儲能、分布式發(fā)電、柔性交/直流輸電技術(shù)、電力電子技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)[4]等關(guān)鍵技術(shù)進一步發(fā)展的綜合應用平臺。在社會影響方面，能源互聯(lián)網(wǎng)將推動能源供給體系的變革，推動能源技術(shù)革命，促進電力體制改革，支撐社會生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型，創(chuàng)新商業(yè)模式、創(chuàng)造就業(yè)機會，促進產(chǎn)業(yè)升級、形成新增長點。

能源互聯(lián)網(wǎng)在縱向可以劃分為三層，從低層至頂層依次為物理層、信息層和商業(yè)模式層，如圖1所示。能源互聯(lián)網(wǎng)通過信息能量深度耦合以及多能源系統(tǒng)的廣泛集成，能夠?qū)崿F(xiàn)電能、冷、熱能的高效生產(chǎn)、靈活控制以及智能利用，促進可再生能源的大幅接入，實現(xiàn)開放、靈活互動的電能交易形式，能夠深入挖掘用戶需求響應潛力，最終整體提高終端能源的使用效率，降低能源生產(chǎn)成本，減少全社會碳排放量[5]。從能源互聯(lián)網(wǎng)運營商的角度而言，通過靈活控制區(qū)內(nèi)能量生產(chǎn)環(huán)節(jié)、降低傳輸環(huán)節(jié)能耗、增強能源供應可靠性，利用價格信號充分協(xié)調(diào)不同時間、空間以及能源形式的使用，大幅度提高終端能源生產(chǎn)與利用效率，從而創(chuàng)造額外的商業(yè)價值;對用戶而言，能夠通過合理安排能源利用，降低能源使用費用，進而降低生產(chǎn)成本;從能源互聯(lián)網(wǎng)投資商的角度，通過投資能源互聯(lián)網(wǎng)中新能源發(fā)電、冷熱電聯(lián)供、先進信息以及控制技術(shù)，降低了多能源系統(tǒng)的運營成本，實現(xiàn)了充分的收資回報。

我國已經(jīng)開始啟動城市級/園區(qū)級能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。為落實《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》(發(fā)改能源〔2016〕392號)[6]、《國家能源局關(guān)于組織實施“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項目的通知》(國能科技〔2016〕200號)[7]等有關(guān)要求，國家能源局在2017年6月底公布了首批55個“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項目[8]，其中城市能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范項目12個、園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范項目12個、其他及跨地區(qū)多能協(xié)同示范項目5個。多能源系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃是這些示范工程面臨的首要問題。

集成電、氣、熱、冷等不同形式能源的多能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的物理基礎(chǔ)。多能源系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃能夠有效地考慮各個能源系統(tǒng)之間的互補和耦合關(guān)系，彌補原來各個能源系統(tǒng)分開單獨規(guī)劃的不足。然而目前，我國的電力、熱力、燃氣等能源系統(tǒng)均處于各自分立管理、單獨規(guī)劃的狀態(tài)。另外，隨著熱電聯(lián)產(chǎn)、電熱泵、吸收式制冷機等分布式能源技術(shù)的發(fā)展，不同形式的能源在生產(chǎn)、傳輸、消費等各個環(huán)節(jié)的耦合關(guān)系越來越復雜、耦合作用越來越強，這也在客觀上迫使業(yè)界對多能源系統(tǒng)展開研究[9-11]。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)的物理基礎(chǔ)—多能源系統(tǒng)

廣義的多能源系統(tǒng)(Multiple Energy Systems，MES)是指煤炭、天然氣、石油、核能、水能、風能、太陽能等多種形式能源的開發(fā)、轉(zhuǎn)換、儲備、運輸、調(diào)度、控制、管理、使用等環(huán)節(jié)所組成的大系統(tǒng)。多能源系統(tǒng)將所有一次能源通過多個環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化與傳輸，最終以電、熱/冷、燃料等形式為人類生產(chǎn)與生活提供動力[12]。圖2給出的是一個典型的面向可再生能源消納的多能源系統(tǒng)能量流動示意圖。

電力、熱力、燃氣等多能源系統(tǒng)進行融合與協(xié)同優(yōu)化，充分考慮各能源系統(tǒng)的互補特性，對于提升能源利用效率，降低能源開發(fā)與利用對環(huán)境的影響，促進可再生能源消納具有重要意義。在多種能源形式中，電能是應用最廣泛的能源形式，電力系統(tǒng)是智能化程度最高的能源系統(tǒng)，同時承擔著利用水能、風能以及太陽能的任務。為此，以電力為核心，以能源高效清潔利用為目標，以大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)消納為背景，研究電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)以及天然氣系統(tǒng)組成的多能源系統(tǒng)的集成與協(xié)調(diào)優(yōu)化是目前的研究熱點。國際上將該問題稱為“能源系統(tǒng)集成”(Energy Systems Integration，ESI)，是應對能源高效清潔利用的有效途徑。

美國國家能源部于2001年提出了能源集成系統(tǒng)(Integrated Energy System，IES)研究計劃，其目標在于保證能源系統(tǒng)運行可靠性的前提下，提高可再生能源在能源系統(tǒng)中的占比，并促進熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等多能源集成技術(shù)的應用與推廣[13]。德國政府于2010發(fā)布了《德國能源構(gòu)想草案》(Draft German Energy Concept)，著重突出了各能源系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)運行的機制設(shè)計與技術(shù)實現(xiàn)，并于2011年啟動了能源研究方案的制定與實施工作，其中廣泛涉及新能源發(fā)電、儲能等多能源系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)的研究。丹麥政府大力支持分布式可再生能源的發(fā)展，利用生物質(zhì)能進行熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱，致力于高比例可再生能源的消納，并試圖通過電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)和交通網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃和運行，設(shè)計相應能源市場機制，充分調(diào)動需求側(cè)響應資源，力爭在2050年之前實現(xiàn)新能源占比100%[14]。國際上的專家學者在2014年成立了能源系統(tǒng)集成國際聯(lián)合研究會(The International Institute for Energy Systems Integration，IIESI)，目的是為了解決能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與優(yōu)化問題。IIESI目前已經(jīng)分別在美國、丹麥以及日本召開了三次國際性會議，在國際上迅速發(fā)展。

瑞士于2003年啟動的“未來能源網(wǎng)絡(luò)愿景(Vision of Future Energy Networks)”研究項目中首次提出了能量樞紐(energy hub，EH)的概念[15]。能量樞紐的概念將一個多能源系統(tǒng)抽象成為一個輸入—輸出雙端口網(wǎng)絡(luò)，認為一個多能源系統(tǒng)內(nèi)部電、氣、熱、冷等能源之間的耦合關(guān)系從系統(tǒng)外部來看，都是輸入的各種形式的能源，最終轉(zhuǎn)換為其他形式的能源，以滿足系統(tǒng)輸出端的負荷需求。能量樞紐的輸入和輸出通過一個耦合矩陣建立聯(lián)系。能量樞紐建模方法具有高度的抽象性，無論多能源系統(tǒng)的規(guī)模大小，都能通過能量樞紐這一模型工具進行規(guī)范化地描述[16-17]。國內(nèi)外學者對于能量樞紐在多能源系統(tǒng)規(guī)劃、運行中的應用也已經(jīng)開展了詳細的研究[18-19]。

2 從價值實現(xiàn)的角度看能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃

能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃就是回答能源互聯(lián)網(wǎng)價值來自哪里、怎樣實現(xiàn)、怎樣分配的問題。能源互聯(lián)網(wǎng)價值源于多能源系統(tǒng)的集成、耦合與互補，最大化多能源系統(tǒng)之間的集成效益是能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃的目標;能源互聯(lián)網(wǎng)的價值實現(xiàn)要基于具體的規(guī)劃方法與方案;要實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造價值的合理分配，則需要合理的商業(yè)模式設(shè)計。

2.1 能源互聯(lián)網(wǎng)的價值來源—多能源系統(tǒng)集成

能源互聯(lián)網(wǎng)的價值來源于多能源系統(tǒng)的集成，包括電力與天然氣系統(tǒng)集成、電力與熱力系統(tǒng)集成等。

現(xiàn)階段中國燃氣機組在電力系統(tǒng)中所占比重較小，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行往往不考慮天然氣網(wǎng)絡(luò)的運行工況。而實際上，天然氣的輸送及供應能力會對電力系統(tǒng)中燃氣機組的運行產(chǎn)生影響，如果燃氣機組同時承擔熱力負荷，那么氣網(wǎng)的運行狀況還會對熱力系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，在能源系統(tǒng)集成時，需建立精細化氣網(wǎng)模型，將燃氣的供應能力及天然氣管網(wǎng)的運行狀況考慮進去。C.Unsihuay與J.W.Marangon[20]建立了天然氣和電力系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化運行模型，模型中考慮了壓氣機與儲氣設(shè)施的影響，采用進化策略算法并結(jié)合內(nèi)點法進行求解。伊利諾伊理工大學的M.Eremia[21]將天然氣管網(wǎng)約束加入到機組組合模型中，綜合考慮了燃氣合同以及燃氣管道輸送能力等限制條件。

電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的集成，除需保證電力系統(tǒng)自身的安全運行以外，還需滿足熱力系統(tǒng)的相關(guān)約束，需要建立熱力系統(tǒng)的運行模型。熱力系統(tǒng)是一個多輸入多輸出系統(tǒng)，其能量傳輸過程具有明顯的延時與損耗，同時，其水力過程與熱力過程相互耦合，使得整個系統(tǒng)較為復雜。目前國內(nèi)外還有許多關(guān)于電熱協(xié)調(diào)運行的研究，分析如何打破“以熱定電”原則，促使熱電聯(lián)產(chǎn)機組靈活運行。龍虹毓等人[22]基于采暖熱水負荷和電力負荷等約束，建立了對熱電聯(lián)產(chǎn)機組和風力發(fā)電機組節(jié)能優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學模型，并基于我國現(xiàn)行電價和供暖熱價，討論了風電供暖的上網(wǎng)電價問題。Nuytten等人[23]分析了加裝儲熱環(huán)節(jié)對熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的作用，同時比較了集中式儲熱與分布式儲熱這兩種情況下的效益問題。Lund等人[24]針對丹麥的風電消納問題提出了兩種策略，一種是開拓歐洲市場，將剩余風電售到周邊國家，另一種是將熱電聯(lián)產(chǎn)機組與電制熱裝置和儲熱裝置結(jié)合起來，實現(xiàn)電熱解耦，增強熱電機組的調(diào)峰能力，并著重分析了第二種策略的經(jīng)濟效益?？傮w而言，國內(nèi)的相關(guān)學者更多的著眼于如何在熱電聯(lián)產(chǎn)機組電熱耦合約束的條件下，通過合理的電、熱負荷分配，充分挖掘熱電聯(lián)產(chǎn)機組的新能源消納潛力;而國外學者則致力于通過電鍋爐、集中儲熱環(huán)節(jié)等裝置拓展熱電聯(lián)產(chǎn)機組的運行邊界，實現(xiàn)電熱解耦，以擴展新能源的消納空間。

2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)的價值實現(xiàn)方式—多能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃

多能源系統(tǒng)規(guī)劃是能源互聯(lián)網(wǎng)價值實現(xiàn)的保證，只有在規(guī)劃層面協(xié)同多個能源系統(tǒng)，充分考慮不同能源形式之間的互補和耦合，建成的能源互聯(lián)網(wǎng)工程才具有經(jīng)濟性上的優(yōu)勢。多能源系統(tǒng)規(guī)劃從空間范圍上可以分為區(qū)域多能源系統(tǒng)規(guī)劃和跨區(qū)多能源系統(tǒng)規(guī)劃兩個大類。

區(qū)域級多能源系統(tǒng)主要指園區(qū)、城市范圍內(nèi)各種形式能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、分配和存儲系統(tǒng)，包括分布式電源、配電系統(tǒng)、燃氣調(diào)壓柜、換熱站和燃氣、熱水管道等。G. Andersson等人[25]提出了一種混合整數(shù)非線性規(guī)劃(mixed-integer nonlinear programming，MINLP)方法，對一個含有若干備選型號的熱電聯(lián)產(chǎn)機組(combine heat and power，CHP)、變壓器和燃氣鍋爐的能量樞紐進行規(guī)劃。A.Sheikhi等人[26]提出了一種非線性的規(guī)劃方法，為德黑蘭的一座旅店優(yōu)化CHP、燃氣鍋爐、吸收式制冷機和儲熱裝置的容量和運行模式。Hongbo Ren等人[27]提出了一種規(guī)劃方法，實現(xiàn)了日本一幢含有CHP、儲能裝置和輔助鍋爐的居民樓的年化費用的最小化。P. Arcuri等人[28]闡述了一種冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計流程，設(shè)計了一座醫(yī)院中的CHP和電熱泵(electric heat pump，EHP)的容量。Ryozo Ooka等人[29]提出了一種基于遺傳算法的方法，為每種樓宇多能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇最優(yōu)的設(shè)備容量和運行方案。Pierluigi Mancarella等人[30]在考慮了不同的運行策略的情況下對不同的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行運行模擬，以此挑選最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

跨區(qū)多能源系統(tǒng)往往涉及到能夠遠距離傳輸?shù)妮旊娋W(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)，與區(qū)域多能源系統(tǒng)的規(guī)劃不同，跨區(qū)多能源系統(tǒng)規(guī)劃需要考慮若干區(qū)域多能源系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系。Xiaping Zhang等人[31]以降低系統(tǒng)建設(shè)、運行總成本和提升系統(tǒng)可靠性為優(yōu)化目標，引入能源綜合利用效率、碳排放量等評價指標，對系統(tǒng)中的傳統(tǒng)發(fā)電機組、輸電線路、燃氣爐和熱電聯(lián)產(chǎn)機組同時進行規(guī)劃，并對各能源系統(tǒng)分開單獨規(guī)劃、多能源系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃、熱電聯(lián)產(chǎn)機組容量事先固定等多種情形進行對比分析，結(jié)果表明多能源系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃有利于降低系統(tǒng)建設(shè)、運行總成本和提高系統(tǒng)可靠性。Qiu等人[32]提出一種電氣互聯(lián)系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃方案，以降低其總的投資和運維成本，并對目標函數(shù)和約束條件中的非線性項進行了線性化，通過迭代求解實現(xiàn)兩個互聯(lián)系統(tǒng)的總體最優(yōu)規(guī)劃。

2.3 能源互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式—能源互聯(lián)網(wǎng)的價值分配

能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)需要合理的商業(yè)模式支撐。能源互聯(lián)網(wǎng)橫跨多個能源領(lǐng)域，除了能源基礎(chǔ)設(shè)施投資外，還包括信息平臺以及能源服務商等多個跨行業(yè)要素，因此能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)必然呈現(xiàn)多元投資、多主體參與運營的形態(tài)，需要創(chuàng)新的商業(yè)模式，實現(xiàn)其創(chuàng)造價值在多投資主體和用戶之間進行合理分配。

國家發(fā)改委和國家能源局于2016年7月發(fā)布了《關(guān)于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實施意見》(發(fā)改能源〔2016〕1430號)[33]，其中明確提出要“創(chuàng)新終端一體化集成供能系統(tǒng)商業(yè)模式，鼓勵采取電網(wǎng)、燃氣、熱力公司控股或參股等方式組建綜合能源服務公司從事市場化供能、售電等業(yè)務，積極推行合同能源管理、綜合節(jié)能服務等市場化機制”。英國的許多能源供應商不僅向家庭用戶提供電力，還向家庭用戶提供天然氣，比如EDF Energy公司。美國的綜合能源供應商也發(fā)展得較好，如美國太平洋煤氣電力公司和愛迪生電力公司等均屬于典型的綜合能源供應公司[34]。我國的一些企業(yè)也初步開始嘗試向綜合能源供應商轉(zhuǎn)變，如原先主要開展城市燃氣業(yè)務的新奧集團提出了“泛能網(wǎng)”的概念[35]，將燃氣、熱、冷聯(lián)系起來，開發(fā)電熱冷三聯(lián)產(chǎn)項目，將電、熱、冷、氣同時向用戶進行銷售。

綜合能源需求響應也是能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的一種重要的商業(yè)模式。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的深入推進，多表合一設(shè)備、雙向通信技術(shù)、蓄能技術(shù)為需求響應的進一步發(fā)展提供了堅實的技術(shù)支撐，需求響應的綜合性、靈活性、可控性、規(guī)模性將產(chǎn)生實質(zhì)性飛躍，將真正具備能源互聯(lián)網(wǎng)愿景中所描述的互動性特征。需求響應也將發(fā)展為用戶側(cè)互動形式參與能源網(wǎng)運行，與大規(guī)模風電、電動汽車等新能源、新用能設(shè)備相協(xié)調(diào)，促進可再生能源、低碳用能設(shè)備在能源互聯(lián)網(wǎng)中的大規(guī)模滲透。為了滿足能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下多能互補、按需互動、精準移峰的需求，有必要進一步研究多能源在負荷側(cè)的智能協(xié)同互補、負荷恢復時段可調(diào)度的用戶側(cè)互動模式，以深入挖掘互動用戶的移峰能力并實現(xiàn)多源互動負荷與系統(tǒng)供能資源的最優(yōu)配合。如何設(shè)計合理的多時空尺度綜合需求響應互動機制，如何構(gòu)建清晰流暢的用戶側(cè)參與能源供應互動的操作流程，如何評估綜合需求響應互動機制均是目前需要研究探索的關(guān)鍵問題。

3 山西太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的實踐

3.1 太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景

為貫徹落實國務院的“互聯(lián)網(wǎng)+”行動，山西省政府于2016年1月頒布了《山西省關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的實施意見》[36]，太原市政府于2016年6月下發(fā)了《太原市推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動實施方案》[37]，“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源是兩個文件中一項重要內(nèi)容?！秾嵤┮庖姟泛汀秾嵤┓桨浮分芯鶑娬{(diào)了要積極推進能源生產(chǎn)智能化改造，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)對能源生產(chǎn)、傳輸、配送、消費、市場管理和服務的支持，催生能源生產(chǎn)、消費、服務的新業(yè)態(tài)和商業(yè)新模式。大力推進分布式能源和電動汽車等多元化負荷發(fā)展，促進“源—網(wǎng)—荷”協(xié)調(diào)互動，實現(xiàn)傳統(tǒng)配電網(wǎng)向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級。

2016年3月30日，山西科技創(chuàng)新城被山西省政府批復為省級高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)，是未來國際性煤基產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新中心、組織中心和技術(shù)服務中心，山西省新型城鎮(zhèn)化和城市示范區(qū)，山西省新型城鎮(zhèn)化和綠色、低碳、生態(tài)、智慧城市示范區(qū)。圖3是山西科技創(chuàng)新城的區(qū)位劃分圖。山西科創(chuàng)城的建設(shè)為能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)應用提出了現(xiàn)實需求。以“能源互聯(lián)網(wǎng)”為主要內(nèi)容將山西科創(chuàng)城打造成為“智慧低碳新區(qū)”，符合高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)和經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的標準，能夠享有實施能源互聯(lián)網(wǎng)的政策支持。

3.2 太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的價值分析

太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的潛在價值可以分為經(jīng)濟價值和社會價值兩方面。

3.2.1 經(jīng)濟價值

(1)充分挖掘現(xiàn)有電力輸配網(wǎng)絡(luò)的資產(chǎn)利用潛力，通過智能的傳感、通訊以及分析技術(shù)，提高對于山西太原地區(qū)現(xiàn)有以及新增基礎(chǔ)電網(wǎng)設(shè)施的利用率，節(jié)約配電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施投資。

(2)通過分布式發(fā)電、能量路由器、多能源系統(tǒng)能源與控制新技術(shù)的引進，提高整個山西太原地區(qū)供能系統(tǒng)的整體利用效率、節(jié)約能耗、降低山西太原地區(qū)商業(yè)用戶的用電、用熱、用冷、用氣成本。

(3)通過靈活互動的機制創(chuàng)新、智能化的通訊控制技術(shù)，激活山西太原地區(qū)工業(yè)與居民用戶側(cè)的需求響應能力，通過能源互聯(lián)網(wǎng)把能源的供應與消費“鏈接”起來，促進形成更加友好、高效的能源消費行為，使用戶能夠通過改進用能行為而獲得經(jīng)濟效益。

(4)通過構(gòu)建太原地區(qū)開放、獨立、多邊接入的互聯(lián)網(wǎng)式的能源交易運營平臺，在能源的供應、消費體系中建設(shè)一個能源交易、共享的平臺，撬動社會各界對于分布式能源的高效利用，激活第三方資本與民間力量參與，徹底改變現(xiàn)有能源產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與行業(yè)組織方式，催生出大量新興的產(chǎn)業(yè)機會和經(jīng)濟增長點，促進地區(qū)的產(chǎn)業(yè)集群與升級。

3.2.2 社會價值

(1)通過建設(shè)光伏、光熱、分布式冷熱電三聯(lián)供、冰蓄冷裝置、電動汽車充(放)電樁、智能家居系統(tǒng)等清潔能源生產(chǎn)、消費、存儲設(shè)備，能夠提高整個山西太原地區(qū)供能系統(tǒng)的整體利用效率、降低污染排放，有助于太原及周邊地區(qū)環(huán)境改善。

(2)通過建設(shè)配電以及供熱、供冷管網(wǎng)優(yōu)化能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)，科學規(guī)劃配電以及供熱、供冷管網(wǎng)，提高能量傳輸效率以及傳輸環(huán)節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施的利用效率，降低能源設(shè)施對土地以及其他社會資源的消耗。

(3)多能源系統(tǒng)能源控制、智能調(diào)度等新技術(shù)的引進，可以提高整個供能系統(tǒng)的整體利用效率、節(jié)約能耗、降低用能成本，實現(xiàn)能源的低碳化供應。

(4)多能源系統(tǒng)能量管理控制系統(tǒng)將對周邊地區(qū)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型研究探討提供充分的示范效益。

3.3 太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的關(guān)鍵問題和難點

對國內(nèi)外區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀及山西科創(chuàng)城能源互聯(lián)網(wǎng)項目實際需求進行綜合分析，以下3個問題是區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)運營中存在的關(guān)鍵問題和難點。

3.3.1 多能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行

圖4是山西太原科技創(chuàng)新城多能源系統(tǒng)能量流圖。區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)綜合了電、氣、熱、冷各類能源，融合了各類新能源、新技術(shù)，以實現(xiàn)多種能源間協(xié)同互補，提高整體能源利用率。太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能源系統(tǒng)中電、熱、冷、生活熱水的供應渠道及相應的價值創(chuàng)造如下。

(1)供電：光伏發(fā)電+冷熱電三聯(lián)供+市電+儲能。

價值創(chuàng)造：光伏發(fā)電采取“自發(fā)自用”模式，在需求側(cè)就地平抑用電負荷曲線，削減負荷峰值，實現(xiàn)容量電費的節(jié)省;通過儲能以及需求響應配合冷熱電三聯(lián)供機組的發(fā)電調(diào)度計劃，縮減負荷峰谷差并擴大光伏發(fā)電的消納空間。

(2)供暖：區(qū)域外熱網(wǎng)+冷熱電三聯(lián)供+地源熱泵+電采暖(配合儲熱)。

價值創(chuàng)造：通過熱電聯(lián)產(chǎn)提升熱能的利用效率;儲熱作為電力系統(tǒng)的部分“虛擬儲能”為電力系統(tǒng)提供了靈活性，降低對區(qū)域外熱網(wǎng)供應的剛性需求，提升了熱電廠靈活性，同時配合電采暖聯(lián)合運行降低供暖成本。

(3)供冷：冷熱電三聯(lián)供+電空調(diào)+蓄冷。

價值創(chuàng)造：與供暖類似，冷熱電三聯(lián)供提升了制冷效率，冰蓄冷為電力系統(tǒng)提供靈活性，同時配合電空調(diào)聯(lián)合運行降低供冷成本。

(4)生活熱水供應：光熱+冷熱電三聯(lián)供+燃氣熱水+電熱水。

價值創(chuàng)造：充分利用可再生能源降低熱水供應成本，冷熱電三聯(lián)供充分利用了低品位的熱源，燃氣熱水和電熱水為生活熱水的供應提供靈活性。

在多能源系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)上，需要提出綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)的體系架構(gòu)和功能應用，在統(tǒng)一的平臺上實現(xiàn)電、氣、熱、冷等多能源的集中信息采集，實時監(jiān)測控制，統(tǒng)一調(diào)度運行，并延伸為用戶提供增值服務是需要研究的難點及關(guān)鍵點。針對這個關(guān)鍵點，一方面需要研究面向調(diào)度運行、分析決策、交易結(jié)算等不同業(yè)務，面向用戶、運營商等不同對象的監(jiān)控系統(tǒng)自動化、信息化、智能化功能架構(gòu)、信息體系、設(shè)備參數(shù)和二次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);基于區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式和分布式能源對能源傳輸網(wǎng)絡(luò)影響的定性、定量分析，研究含分布式能源的電、氣、熱、冷等多能源綜合調(diào)度運行方法。另一方面需要研究基于綜合能源調(diào)度運行與監(jiān)控系統(tǒng)的區(qū)域能源控制中心總體構(gòu)架和主要功能，提出包含交易層、調(diào)控層、生產(chǎn)管理層及增值服務層等多層次的綜合能量管理控制系統(tǒng)工作機制和應用流程;研究區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)信息安全體系。

3.3.2 基于多能源系統(tǒng)的綜合需求響應策略設(shè)計

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)利用智能需求側(cè)管理引導用戶合理用能，實現(xiàn)對能源負荷進行削峰填谷，降低能源備用、能源設(shè)備投資。根據(jù)太原地區(qū)的實際情況，如何基于多能源系統(tǒng)制定智能需求側(cè)管理互動機制，準確設(shè)計綜合需求側(cè)響應的市場交易機制是需要研究的關(guān)鍵點，如何對需求響應資源的互動效益進行評估是需要研究的難點。

針對目前綜合需求響應研究較少的現(xiàn)狀，需要研究綜合需求響應的基礎(chǔ)理論和基本模型，建立基于多能源系統(tǒng)的電—熱/冷、電—氣需求響應彈性計算模型，提出綜合需求響應潛力評估模型。另外需要對綜合需求響應資源給電網(wǎng)運行帶來的經(jīng)濟效益與社會效益進行全方位分析，建立綜合需求響應資源互動效益計算模型，評價不同類型需求側(cè)響應對售電公司售電利潤的影響，在此基礎(chǔ)上針對山西電網(wǎng)煤電機組為主的特點，研究綜合需求側(cè)響應對改善火電機組運行能耗的影響，測算綜合需求側(cè)響應帶來的節(jié)能減排效益。

3.3.3 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)運營與商業(yè)模式

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的投資建設(shè)及運營需要社會各方的參與。面對新一輪電力體制改革，供電公司作為區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)主體運營商，該制定何種運營和商業(yè)模式是需要研究的難點及關(guān)鍵點。

針對這個關(guān)鍵點，需要對主體運營商的運營與商業(yè)模式、分布式能源和綜合需求響應的商業(yè)模式與效益、考慮傳輸容量約束的多能源系統(tǒng)運行方法三個方面進行分析與研究。

首先，針對區(qū)域能源公司的運營與商業(yè)模式進行調(diào)研，重點研究國內(nèi)外區(qū)域電、氣、熱、冷綜合供應商的運營模式。在此基礎(chǔ)上，研究新一輪電改中關(guān)于售電側(cè)的市場機制和國家政策，以掌握區(qū)域能源公司運營的政策背景。在此背景下，調(diào)研太原地區(qū)電、熱、冷、氣能源交易現(xiàn)狀，研究區(qū)域能源公司在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的購售電、個性化服務等商業(yè)模式，并研究支撐這些商業(yè)模式的市場交易機制。研究能夠協(xié)同能源購售、第三方分布式能源、分布式儲能、以及用戶互動的區(qū)域能源公司運營模式。

其次，調(diào)研我國現(xiàn)行分布式能源補貼政策以及太原地區(qū)終端電價、熱價、氣價信息，結(jié)合新一輪電改帶來的售電側(cè)“紅利”，研究分布式能源在銷售側(cè)市場放開情況下的盈利空間，給出不同情境下的盈利范圍。采用運行模擬的方法，分析不同投資機制下分布式能源的經(jīng)濟效益;對于需求響應資源種類進行調(diào)研，按照不同的參照標準對于需求響應資源進行分類，分析不同類型的需求響應資源的響應特點，分析每種需求響應資源能夠發(fā)揮的潛在效益，在此基礎(chǔ)上設(shè)計基于多能源系統(tǒng)的綜合需求管理商業(yè)模式。

最后，根據(jù)山西科創(chuàng)城的規(guī)劃情況，選取合理的負荷指標及動態(tài)模型，對園區(qū)的電、熱、冷負荷需求進行動態(tài)預測分析，繪制區(qū)域內(nèi)不同季節(jié)典型日的逐時負荷曲線及年負荷曲線。綜合以上結(jié)果，設(shè)計區(qū)域能源公司運營效益最大化、考慮傳輸容量約束的多能源系統(tǒng)運行方法。特別是針對不同季節(jié)太原地區(qū)對電、熱、冷、氣需求量的差異，設(shè)計經(jīng)濟效益最大化的多種運行方式。

4 結(jié)語

明晰與界定區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造的價值是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)價值創(chuàng)造以及將創(chuàng)造的價值在多方投資主體和用戶之間進行合理分配的前提。在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的框架之下，電、氣、熱、冷各類能源及相應技術(shù)相互耦合、協(xié)同互補，形成了區(qū)別于傳統(tǒng)分立能源系統(tǒng)的多能源系統(tǒng)，提高了能源利用效率，降低了整個能源供應系統(tǒng)的運營成本，這便是區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造的價值。在介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)與多能源系統(tǒng)的基本概念的基礎(chǔ)上，本文闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)價值的創(chuàng)造與實現(xiàn)途徑以及能源互聯(lián)網(wǎng)價值的分配模式。以山西太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)為實例，對太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)背景、潛在價值、關(guān)鍵問題和難點以及技術(shù)路線幾個方面進行了總結(jié)和展望。

參考文獻

[1] 李克強.政府工作報告—2015年3月5日在第十二屆全國人民代表大會第三次會議上[Z/OL].http://www.gov.cn/guowuyuan/2015-03/16/content_2835101.htm.

[2] 國家發(fā)展改革委和國家能源局.能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃[Z/OL].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201701/t20170117_835278.html.

[3] 董朝陽，趙俊華，文福拴，等.從智能電網(wǎng)到能源互聯(lián)網(wǎng)：基本概念與研究框架[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2014，38(15)：1-11.

Dong Zhaoyang, Zhao Junhua, Wen Fushuan, et al.From Smart Grid to Energy Internet: Basic Concept and Research Framework[J].Automation of Electric Power Systems, 2014,38(15): 1-11(in Chinese).

[4] 張寧，王毅，康重慶，等. 能源互聯(lián)網(wǎng)中的區(qū)塊鏈技術(shù)：研究框架與典型應用初探[J]. 中國電機工程學報，2016，36(15)：4011-4022.

Zhang Ning, Wang Yi, Kang Chongqing, et al.Blockchain Technique in the Energy Internet: Preliminary Research Framework and Typical Applications[J].Proceedings of the CSEE, 2016, 36(15): 4011-4022(in Chinese).

[5] 孫宏斌，郭慶來，潘昭光.能源互聯(lián)網(wǎng)：理念、架構(gòu)與前沿展望[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39(19)：1-8.

Sun Hongbin, Guo Qinglai, Pan Zhaoguang.Energy Internet:Concept, Architecture and Frontier Outlook [J].Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(19): 1-8(in Chinese).

[6] 國家發(fā)展改革委，國家能源局和工業(yè)和信息化部.關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見[Z/OL].http://www.gov.cn/xinwen/2016-03/01/content_5047633.htm.

[7] 國家能源局.關(guān)于組織實施“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項目的通知[Z/OL].http://www.bjdch.gov.cn/n1515644/n2022693/c4224604/part/4224605.pdf.

[8] 國家能源局.關(guān)于公布首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項目的通知[Z/OL].http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto83/201707/t20170706_2825.htm.

[9] 賈宏杰，王丹，徐憲東，等.區(qū)域綜合能源系統(tǒng)若干問題研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39(7)：198-207.

Jia Hongjie, Wang Dan, Xu Xiandong, et al.Research on Some Key Problems Related to Integrated Energy Systems[J].Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(7): 198-207(in Chinese).

[10] 王毅，張寧，康重慶.能源互聯(lián)網(wǎng)中能量樞紐的優(yōu)化規(guī)劃與運行研究綜述及展望[J].中國電機工程學報，2015，35(22)：5669-5681.

Wang Yi, Zhang Ning, Kang Chongqing.Review and Prospect of Optimal Planning and Operation of Energy Hub in Energy Internet[J].Proceedings of the CSEE, 2015, 35(22):5669-5681(in Chinese).

[11] 邵成成，王錫凡，王秀麗，等.多能源系統(tǒng)分析規(guī)劃初探[J].中國電機工程學報，2016，36(14)：3817-3828.

Shao Chengcheng, Wang Xifan, Wang Xiuli, et al. Probe into Analysis and Planning of Multi-Energy System[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(14): 3817-3828(in Chinese).

[12] 楊經(jīng)緯，張寧，王毅，康重慶.面向可再生能源消納的多能源系統(tǒng)：述評與展望[J/OL].電力系統(tǒng)自動化，2018.http://aeps-info.com/aeps/ch/reader/view_abstract.aspx?edit_id=20180110100254905&flag=2&file_no=201710020000004&journal_id=aeps.

Yang Jingwei, Zhang Ning, Wang Yi, Kang Chongqing.Review and Prospect of Multiple Energy Systems Towards Renewable Energy Accommodation[J/OL]. Automation of Electric Power Systems, 2018. http://aeps-info.com/aeps/ch/reader/view_abstract.aspx?edit_id=20180110100254905&flag=2&file_no=201710020000004&journal_id=aeps.

[13] Quelhas A, Gil E, Mccalley J D, et al.A Multiperiod Generalized Network Flow Model of the U.S.Integrated Energy System: Part I—Model Description[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2007, 22(2): 829-836.

[14] Meibom P, Hilger K B, Madsen H, et al.Energy Comes Together in Denmark: The Key to a Future Fossil-Free Danish Power System[J].IEEE Power & Energy Magazine, 2013,11(5): 46-55.

[15] Geidl M, Koeppel G, Favre-Perrod P, et al.Energy Hubs for the Future[J].Power & Energy Magazine IEEE, 2007, 5(1):24-30.

[16] Wang Y, Zhang N, Kang C, et al.Standardized Matrix Modeling of Multiple Energy Systems[J].IEEE Transactions on Smart Grid, accepted, in press.DOI: 10.1109/TSG.2017.2737662.

[17] Chicco G, Mancarella P.Matrix Modelling of Smallscale Trigeneration Systems and Application to Operational Optimization[J].Energy, 2009, 34(3): 261-273.

[18] Wang Y, Zhang N, Zhuo Z, et al.Mixed-Integer Linear Programming-Based Optimal Configuration Planning for Energy Hub: Starting from Scratch[J].Applied Energy，accepted, in press.DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.08.114.

[19] Geidl M, Andersson G.Optimal Power Flow of Multiple Energy Carriers[J].IEEE Transactions on Power Systems,2007, 22(1): 145-155.

[20] Unsihuay C, Lima J W M, Souza A C Z D.Modeling the Integrated Natural Gas and Electricity Optimal Power Flow[C].Power Engineering Society General Meeting.IEEE, 2007: 1-7.

[21] Li T, Eremia M, Shahidehpour M.Interdependency of Natural Gas Network and Power System Security[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2008, 23(4): 1817-1824.

[22] 龍虹毓，馬建偉，吳鍇，等.含熱電聯(lián)產(chǎn)和風電機組的電網(wǎng)節(jié)能調(diào)度[J].電力自動化設(shè)備，2011，31(11)：18-22.

Long Hongyu, Ma Jianwei, Wu Kai, et al.Energy Conservation Dispatch of Power Grid with Mass Cogeneration and Wind Turbines[J].Electric Power Automation Equipment,2011, 31(11): 18-22(in Chinese).

[23] Nuytten T, Claessens B, Paredis K, et al.Flexibility of a Combined Heat and Power System with Thermal Energy Storage for District Heating[J].Applied Energy, 2013, 104(4):583-591.

[24] Lund H, Clark W W.Management of Fluctuations in Wind Power and CHP Comparing Two Possible Danish Strategies[J].Energy, 2002, 27(5): 471-483.

[25] Geidl M, Andersson G.Optimal Coupling of Energy Infrastructures[C]. Power Tech, 2007 IEEE Lausanne.IEEE,2008: 1398-1403.

[26] Sheikhi A, Ranjbar A M, Oraee H.Financial Analysis and Optimal Size and Operation for a Multicarrier Energy System[J].Energy & Buildings, 2011, 48(1): 71-78.

[27] Ren H, Gao W, Ruan Y.Optimal Sizing for Residential CHP System[M]. Challenges of Power Engineering and Environment.Springer Berlin Heidelberg, 2007: 514-523.

[28] Arcuri P, Florio G, Fragiacomo P.A Mixed Integer Programming Model for Optimal Design of Trigeneration in a Hospital Complex[J].Energy, 2007, 32(8): 1430-1447.

[29] Ooka R, Komamura K.Optimal Design Method for Building Energy Systems Using Genetic Algorithms[J].Building &Environment, 2009, 44(7): 1538-1544.

[30] Chicco G, Mancarella P.From Cogeneration to Trigeneration:Profitable Alternatives in a Competitive Market[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, 21(1): 265-272.

[31] Zhang X, Shahidehpour M, Alabdulwahab A, et al. Optimal Expansion Planning of Energy Hub With Multiple Energy Infrastructures[J].IEEE Transactions on Smart Grid, 2017,6(5): 2302-2311.

[32] Qiu J, Yang H, Dong Z Y, et al.A Linear Programming Approach to Expansion Co-Planning in Gas and Electricity Markets[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2016,31(5): 3594-3606.

[33] 國家發(fā)展改革委和國家能源局.關(guān)于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實施意見 [Z/OL].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201607/t20160706_810652.html.

[34] 封紅麗.國內(nèi)外綜合能源服務發(fā)展現(xiàn)狀及商業(yè)模式研究[J]. 電器工業(yè)，2017，(06)：34-42.

Feng Hongli.Research on the Development Status and Business Model of Integrated Energy Services at Home and Abroad[J].China Electrical Equipment Industry, 2017, (06):34-42 (in Chinese).

[35] 徐沛宇.綜合能源供應商萌芽[J].中國能源，2016(12)：49-51.

Xu Peiyu.Budding of Integrated Energy Suppliers[J].Energy of China, 2016(12): 49-51 (in Chinese).

[36] 山西省人民政府.關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的實施意見[Z/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/2016-02/24/content_5045499.htm.

[37] 太原市人民政府.太原市推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動實施方案[Z/OL]. http://www.taiyuan.gov.cn/zfwjzflgfgfxwj/334931.jhtml.

黃武靖

作者簡介：黃武靖(1995)，男，博士研究生，主要從事多能源系統(tǒng)的建模、運行和規(guī)劃的研究工作，E-mail：hwj17@mails.tsinghua.edu.cn。

張寧(1985)，男，副教授，主要從事新能源、電力系統(tǒng)規(guī)劃及運行、多能源系統(tǒng)的研究工作，E-mail：ningzhang@tsinghua.edu.cn。

董瑞彪(1967)，男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行、區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的研究工作，E-mail：tydrb214@163.com。